_______________________________________________________________________________________
JTM (S-1) – Vol. 2, No. 2, April 2014:160-166
160
PEMODELAN DAN ANALISA UJI PENDULUM PADA STRUKTUR RANGKA BUS
MENGGUNAKAN METODE ELEMEN HINGGA
*Benny Ardhi Subarkah1, Toni Prahasto2
1Mahasiswa Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Diponegoro 2Dosen Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Diponegoro
Jl. Prof. Sudharto, SH., Tembalang-Semarang 50275, Telp. +62247460059 *E-mail: bennyardhi@rocketmail.com
Abstrak
Bus merupakan salah satu kendaraan bermotor yang dapat membawa banyak penumpang. Oleh sebab itu, bus harus didesain agar dapat memberikan rasa aman bagi penumpang dan pengemudinya. Struktur rangka bus adalah salah satu bagian dari sebuah bus yang berfungsi sebagai rumah-rumah dari kendaraan tersebut. Dalam berbagai kasus kecelakaan, struktur rangka sangat mempengaruhi keselamatan dari pengguna bus. Salah satu diantaranya yaitu kecelakaan bus terguling (rollover), dimana kecelakaan tersebut mengakibatkan korban mengalami cedera bahkan menewaskan penumpang di dalam bus. Di Eropa, terdapat standar bus yang mengatur keamanan bus ketika terjadi kecelakaan rollover, yaitu ECE R 66. Tugas akhir ini membahas tegangan dan displacement pada struktur rangka bus ketika terjadi kecelakaan terguling untuk mengukur keamanan bus sesuai dengan standar ECE R 66. Penerapan dari ECE R 66 dilakukan dengan memberikan beban pendulum pada sisi samping bus dengan kecepatan dan sudut pendulum yang ditentukan berdasarkan dimensi bus. Penulis melakukan analisa dengan mengunakan metode elemen hingga dan dengan software bantu ANSYS / LS
- Dyna. Hasil analisa berupa konsentrasi tegangan dan displacement pada bagian sisi samping struktur
rangka bus. Besarnya displacement pada bagian tersebut tidak melebihi ruang batas selamat (residual
space). Oleh karena itu, struktur rangka bus ini aman jika terkena beban pendulum atau kecelakaan
terguling (rollover).
Kata kunci: rollover, displacement, metode elemen hingga, dan residual space.
Abstract
Bus is one of the motor vehicle that can carry many passengers. Thus, buses should be designed in order to provide security for passengers and driver . Bus frame structure is one part of a bus that serves as the houses of the vehicle. In many cases of accidents, frame structure greatly affects the safety of bus users. One of them is overturned bus accident (rollover), where the accident resulting in the injury even killing passengers on the bus. In Europe, there is a bus standard that governs security buses when rollover accidents occur, the ECE R 66. This final project explores stress and displacement in the structure of the bus when the accident occurred order to measure the safety of the bus rolled over in accordance with ECE R 66 standard. Implementation of ECE R 66 is done by giving the load side of the pendulum on the bus with the speed and angle of the pendulum is determined by the dimensions of the bus. The author analyzes using the finite element method and the auxiliary software ANSYS / LS - Dyna. The results of the analysis in the form of stress concentration and displacement on the side of the bus frame structure. The amount of displacement on the part does not exceed the residual space. Therefore, the bus frame structure is safe if exposed to load or crash rolled pendulum (rollover).
Keywords: rollover, displacement, finite element method, and residual space
1. PENDAHULUAN
Kemajuan yang pesat dalam bidang transportasi mengharuskan setiap desain kendaraan memenuhi banyak kriteria, antara lain : aman, ramah lingkungan, dan hemat konsumsi bahan bakar. Dalam hal ini faktor tersebut masih terus dikembangkan di negara-negara produsen kendaraan untuk memenuhi konsumen di pasar dunia. Oleh sebab itulah tercipta perbedaan kelas dan tipe kendaraan. Semakin tinggi kelas dan tipe dari suatu kendaraan akan memerlukan standar kriteria keamanan dan kualifikasi yang sangat tinggi.
Bermacam tipe kendaraan telah didesain dan dibuat oleh para engineer demi kelancaran transportasi baik manusia maupun barang, misalnya : mobil, pesawat terbang, kereta, truk, bus, kendaraan bermotor, dll. Salah satunya adalah bus yang merupakan alat transportasi massal yang dapat menampung bnayak penumpang maupun barang.
JTM (S-1) – Vol. 2, No. 2, April 2014:160-166
161
menabrak pohon, bahkan bus terguling karena kurangnya keseimbangan dari body bus. Oleh karena itu desain semua bagian pada bus perlu diperhatikan demi keselamatan penumpangnya. Khususnya rangka bus harus memenuhi standar-standar tertentu agar memperoleh hasil yang baik dan memenuhi kriteria - kriteria bagi keselamatan penumpang [1].Di Eropa terdapat suatu standar yang diterapkan dan digunakan pada kendaraan-kendaraan buatannya, yaitu ECE
(Economic Commissions for Europe). Dalam ECE terdapat 324 peraturan (regulation), salah satunya peraturan nomor
66 atau Regulation 66 (R 66) yang digunakan untuk menguji kekuatan struktur rangka bus ketika terjadi rollover. Dalam penelitian ini, dilakukan suatu analisa uji pendulum pada struktur rangka bus pada landasan kendaraan bermotor Marcedes-Benz Tipe OH-1526 sesuai ECE R 66. Untuk itu digunakan suatu software komputer, yaitu dengan menggunakan SolidWorks dan ANSYS / LS-DYNA. Tujuan dari penelitian ini adalah untuk menganalisa tingkat keamanan struktur rangka bus sesuai dengan standar ECE R 66 dan mengetahui displacement dari struktur rangka bus ketika terjadi rollover.
2. METODOLOGI PENELITIAN 2.1 Rollover Standard ECE R66 a. Tujuan ECE R66
Standar ECE R 66 bertujuan untuk memberikan perlindungan pada penumpang bus ketika bus mengalami beban
rollover dengan memberikan batas ruang selamat atau residual space ditinjau dari besarnya displacement. [2]
b. Residual Space
Residual space adalah suatu ruang yang digunakan untuk menggantikan posisi dari masing-masing penumpang pada
kendaraan yang berguna untuk memberikan batas keselamatan.
(a) (b)
Gambar 1 (a) Residual space tampak depan, (b) Residual space tampak samping c. Perhitungan Energi
Perhitungan energi total dapat diformulasikan dengan rumus berikut:
E* = 0.75xMxg.
[√(
)
√
]
(Nm)... (1) dimana:M = Massa kendaraan/ struktur rangka bus (Kg) g = 9.8 m/s2
W = Lebar kendaraan/ struktur rangka bus (m)
Hs = Tinggi pusat massa (center of gravity) kendaraan / struktur rangka bus (m)
H = Tinggi kendaraan/ struktur rangka bus (m) d. Pendulum
Pendulum yang digunakan dalam tes rollover terbuat dari baja dengan ketebalan 20 mm ± 5 mm, massa pendulum dari distribusi rata-rata, tingginya tidak kurang dari 800 mm dan panjangnya tidak kurang dari panjang body section bus. Kecepatan pendulum antara 3-8 m/s.
Sudut pendulum pada waktu mengenai struktur rangka bus yaitu:
α = 90o – arcsin
... (2)
dimana: Hc = Tinggi struktur rangka bus
Berdasarkan perhitungan energi total pada sub bab sebelumnya, maka energi kinetik pada pendulum sama dengan energi total, yaitu:
Ek pendulum = E *
_______________________________________________________________________________________
JTM (S-1) – Vol. 2, No. 2, April 2014:160-166
162
MULAI
PENGAMBILAN DATA GEOMETRI STRUKTUR RANGKA BUS (MERCEDES BENZ OH 1526)
PEMODELAN STRUKTUR RANGKA BUS KE DALAM SOFTW ARE CAD
IMPORT DATA FILE CAD KE SOFTW ARE ANALISA
PEMILIHAN TIPE ELEMEN
PENDESKRIPSIAN MATERIAL PROPERTIES
PENDEFINISIAN ELEMEN
PENDEFINISIAN COUPLING/CEQN
PENDEFINISIAN CONTACT
PENENTUAN CONSTRAINT
PENDISKRIPSIAN PERCEPATAN GRAVITASI PENDEFINISIAN KECEPATAN AW AL
PENDISKRIPSIAN OUTPUT CONTROLS PENDISKRIPSIAN TIME CONTROLS
SOLVER ADA ERROR? PENGAMBILAN DATA : 1. ANIMASI 2. LIST RESULT SELESAI PERBAIKAN INPUT YA TIDAK
dimana: m = massa pendulum (kg) v = kecepatan pendulum (m) 2.2 Bagan Pemodelan dan Analisa
Gambar 2. Bagan pemodelan dan analisa struktur rangka bus
2.3 Pemodelan ke dalam CAD dan FEM
Dalam menganalisa struktur rangka bus ini, penulis menggunakan software bantu yaitu ”SolidWorks” untuk memodelkan struktur rangka bus secara utuh, kemudian untuk analisanya menggunakan software ”ANSYS / LS-DYNA”. Adapun ANSYS / LS-DYNA secara umum dapat digunakan untuk analisa berbagai studi kasus seperti : structure, ANSYS
JTM (S-1) – Vol. 2, No. 2, April 2014:160-166
163
(a) (b)
Gambar 3. (a) Pemodelan struktur rangka bus ke software CAD, (b) Pemodelan uji pendulum pada software FEM Adapun material properties dari struktur rangka bus beserta pendulum dan residual space nya adalah sebagai berikut :
Tabel 1. Material Properties Struktur Rangka Bus
Tabel 2. Material Properties Pendulum dan Residual Space Material Properties Nilai
Modulus Elastisitas 207x109 Pa Poisson Ratio 0.30
Densitas 7580 kg/m3
2.3 Solution
Dalam analisa eksplisit dinamis perlu dilakukan langkah awal yaitu pemberian kecepatan awal yang disesuaikan dengan nilai dan arah pada masing-masing pemodelan. Arah dari gerakan pendulum menuju COG (Central of Gravity) dari model struktur rangka bus tersebut. Adapun perhitungannya adalah sebagai berikut :
a = 90o – arcsin
Hc = Tinggi body section bus = 3.4 meter
Α = 90o – arcsin
= 90o – arcsin
= 90o – 13.6o
= 76.4o ≈ 76o
pendefinisian element: untuk menandai tiap-tiap part pada masing-masing element.
pendefinisian contact : pendulum ke struktur rangka bus (ASTS)
Pendeskripsian constraints: Kondisi batas ini adalah struktur bus berada pada chasis/ landasan, oleh karena itu letak constraint berada pada bagian bawah lantai struktur rangka bus.
Pendeskripsian percepatan gravitasi: percepatan 9.8 m/s2 pada arah -Y
_______________________________________________________________________________________
JTM (S-1) – Vol. 2, No. 2, April 2014:160-166
164
E* = 0.75xMxg [√( ) √ ] (Nm) = 0.75x 9976x9.8
[√(
)
√
]
= 73550.9031 Nm 73551 Nm Ek pendulum =73551 Nm =
v = = 5.55 5.5 m/s 3. HASIL DAN PEMBAHASAN
Struktur rangka bus yang telah dimodelkan ke dalam software CAD kemudian dianalisa (uji pendulum) dan disimulasikan dengan software bantu yaitu ANSYS/LS-DYNA yang dikondisikan sesuai dalam keadaan yang sebenarnya, sehingga data hasil analisa akan sesuai dengan kondisi nyata atau paling tidak mendekati. Data yang dianalisa yaitu diambil pada beberapa titik (nodal) pada struktur rangka bus yang mempengaruhi residual space atau dekat dengan batas aman yang disarankan. Pada Gambar 8 di bawah ini, diperlihatkan struktur rangka bus sebelum dan sesudah dilakukan uji pendulum. Ada 6 nodal pokok yang akan diambil datanya. Dari 6 nodal tersebut, masing–masing mempunyai beberapa nodal yang letaknya berhimpit dengan pilar–pilar yang ada pada struktur rangka bus yang dianalisa.
Gambar 4. (a) Struktur rangka sebelum dilakukan uji pendulum, (b) Struktur rangka sesudah dilakukan uji pendulum 3.1 Pembebanan Pendulum ECE R66
Pembebanan pendulum yang dilakukan pada struktur rangka bus dilakukan sesuai standar ECE R 66. Pada bab sebelumnya sudah dibahas mengenai perhitungan energi total yang diserap. Energi totalnya yaitu: 73351 Nm, kemudian perhitungan kecepatan energi kinetik pada pendulum menjadi 5.5 m/s. Untuk tegangan maksimum terjadi pada waktu 0.15 sekon dan deformasi terbesar didapat pada waktu 0.27 sekon.
a. Stress result
JTM (S-1) – Vol. 2, No. 2, April 2014:160-166
165
Gambar 6. Nilai tegangan von Mises pada posisi 3 dan 4
Gambar 7. Nilai tegangan von Mises pada posisi 5 dan 6
b. Displacement result
Gambar 8. Besarnya displacement pada posisi 1 dan 2 pada pillar 1 sampai 4
_______________________________________________________________________________________
JTM (S-1) – Vol. 2, No. 2, April 2014:160-166
166
Gambar 10. Besarnya displacement pada posisi 1 dan 2 pada pillar 9 sampai 11
Pada Gambar 5 menunjukkan grafik nilai tegangan von Mises yang diambil pada posisi 1 dan 2 yang terletak pada sisi struktur rangka bus yang terkena beban pendulum atau rollover. Pada posisi 1 terdapat 10 nodal yang diambil data tegangannya dengan nilai maksimum mencapai 81.3 MPa, sedangkan nilai minimum dan rata-ratanya masing-masing adalah 4.38 MPa dan 17 Mpa. Sedangkan pada posisi 2 diperoleh nilai maksimum 51.7 MPa, nilai minimum 19.2 MPa, dan nilai rata-rata 52.1 MPa.
Pada Gambar 6 menunjukkan grafik nilai tegangan von Mises yang diambil pada posisi 3 dan 4. Posisi 3 terletak pada pojok atap sisi yang terkena beban pendulum, sedangkan posisi 4 terletak di sisi bus yang tidak terkena beban pendulum, sejajar dengan posisi 1. Pada posisi 3 terlihat bahwa tegangan lebih besar jika dibandingkan dengan posisi 1 maupun 2. Nilai tegangan maksimumnya 119 MPa, dengan nilai tegangan minimum 10.8 MPa dan rata-ratanya 52.1 MPa. Pada posisi 4 diperoleh nilai maksimum 79.7 MPa, nilai minimum 3 MPa, dan nilai rata-rata 14.4 MPa.
Pada Gambar 7 menunjukkan grafik nilai tegangan von Mises yang diambil pada posisi 5 dan 6. Pada posisi 5 yang diambil data tegangannya nilai maksimum mencapai 62.5 MPa, sedangkan nilai minimum dan rata-ratanya masing-masing adalah 11.1 MPa dan 36.4 Mpa. Sedangkan pada posisi 6 diperoleh nilai maksimum 81.4 MPa, nilai minimum 20.5 MPa, dan nilai rata-rata 47 MPa.
Dari Gambar 5, 6, dan 7 dimana gambar tersebut menunjukkan konsentrasi tegangan diperoleh besarnya tegangan maksimum pada posisi 3 dengan nilai sebesar 119 MPa. Oleh karena itu semua nodal pada ke enam posisi ini masih aman menurut teori kegagalan statis yang menyatakan bahwa kegagalan akan terjadi jika tegangan von Mises
, sedangkan Sy = 305 MPa = 305x106 N/m2 dan = 119x106 N/m2. Namun jika dilihat secara keseluruhan terdapat nodal yang sudah mengalami kegagalan. Dalam hal ini pada nodal 73795 mempunyai tegangan von Mises maksimum sebesar 329 MPa dimana nilai tersebut sudah melampaui kekuatan luluhnya.
Pada Gambar 8 menunjukkan besarnya displacement pada pillar 1 sampai 4 terhadap residual space dimana data yang diambil pada saat terjadi pembebanan maksimum. Data yang diambil hanya pada posisi 1 dan 2 karena 2 posisi tersebut yang sangat penting. Pada gambar tersebut jelas bahwa dari pillar I sampai pillar 4 belum ada pillar yang memasuki atau melebihi residual space. Begitu juga dengan Gambar 9, dan 10 yang mana pillar-pillar dari pillar nomer 5 sampai nomer 11 belum ada yang memasuki residual space. Maka ditinjau dari displacementnya struktur rangka bus dinyatakan aman jika terkena beban pendulum atau rollover.
4. KESIMPULAN
1) Konsentrasi tegangan von mises maksimum pada posisi 1, 2 dan 3 (bagian samping atas struktur rangka bus yang terkena beban pendulum) yaitu 81.3 MPa, 51.7 MPa, dan 119 MPa. Sedangkan pada posisi 4, 5, dan 6 (bagian samping atas struktur rangka bus yang tidak terkena beban pendulum) yaitu 79.7 MPa, 62.5 MPa, dan 81.4 MPa. 2) Konsentrasi tegangan von Mises maksimum pada ke enam posisi (bagian samping kanan dan kiri) tidak terjadi
kegagalan material karena nilainya kurang dari yield strengthnya (Sy = 305 MPa).
3) Konsentrasi tegangan von Mises maksimum pada semua nodal struktur rangka bus yaitu 329 MPa dengan faktor keamanan 0.92.
4) Besarnya displacement maksimum masih belum melebihi batas selamat (residual space) sesuai ECE R 66, oleh karena itu, struktur rangka bus aman jika terkena beban pendulum atau beban rollover.
5. REFERENSI
[1] Matolcsy, M., 2007, “The Severity of Bus Rollover Accidents”, ESV Paper 989, 20th ESV Conference, Lyon, France.
[2] Lloyd, J.E., 2007, “Vehicle Standard (Australian Design Rule 59/00-Standard For Omnibus Rollover Strength)”, (ECE R 66).
[3] Direktorat Jenderal Perhubungan Darat, 2012, “Peraturan Pemerintah Republik Indonesia Nomor 55 Tahun 2012 Tentang Kendaraan”, diakses pada 12 November, 2012 dari
